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TS2 CIRA - Régulation/Instrumentation BTS CIRA

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3) Boucles complexes1. Introduction 2

1.1. Une mesure supplémentaire 2

1.2. Une commande supplémentaire 2

2. Régulation mixte (chaîne fermée et chaîne ouverte) 2

2.1. Présentation 2

2.2. Programmation sur T2550 2

2.3. Détermination théorique d’un correcteur statique 3

2.4. Détermination pratique d’un correcteur statique 3

2.5. Exemple de régulation mixte 3

3. Régulation cascade 4



3.3. Cascade sur une grandeur intermédiaire 4

3.4. Cascade sur la grandeur réglante 5

4. Régulation de rapport (ou de proportion) 6



4.3. Exemple de boucle de proportion 6

4.4. Exemple de calcul du gain k 7

5. Régulation parallèle (override ou de limitation) 7



5.3. Exemple de régulation parallèle 7

6. Régulation à deux grandeurs réglantes (split range) 8


6.2. Régulation à deux grandeurs à effets complémentaires 8

6.3. Régulation à deux grandeurs à effets antagonistes 8


6.5. Détermination du sens d’action du régulateur 9

6.6. Détermination des équations de sortie 10

7. Régulation adaptative 10

.......................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................

............................................................................................................................

...................................................................................................

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................................................................................................

..................................................................................................................................

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...................................................................................................................................

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....................................................................................................

................................................................................................................

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3) Boucles complexes BTS CIRA


1. IntroductionOn a vu dans le chapitre précédent que pour améliorer notre boucle de régulation on peut être amener à ajouter une mesure, ou un organe de réglage. Ce chapitre développera les différentes boucles complexes en séparant les différents types de mesure ajoutées et les différents organes de réglage.

1.1. Une mesure supplémentaireOn peut classer les mesures ajoutées à notre boucle simple en trois catégories :

• Les mesures de perturbations que l’on ne peut pas contrôler (boucle mixte) ; • Les mesures intermédiaires que l’on peut contrôler à l’aide de l’organe de réglage (boucle cascade) ;• Les mesures permettant d’obtenir une proportion (boucle de proportion) ;• Les mesures nécessaires à la mise en place d’une boucle de sécurité (boucle parallèle).

1.2. Une commande supplémentaireOn ne traitera qu’un cas qui utilise une commande supplémentaire ; la boucle à partage d’étendue.

2. Régulation mixte (chaîne fermée et chaîne ouverte)2.1. PrésentationUne telle boucle est utile lorsqu’une perturbation a un poids important et que la mesure ne varie pas rapidement suite à cette perturbation. Cette perturbation n’est pas contrôlable à l’aide de l’organe de réglage utilisée dans la boucle initiale. On utilise la mesure de cette perturbation pour compenser ses effets sur la grandeur réglée. Le système peut alors être représenté de la manière suivante :

w xε+-

C(p)y

++

H(p) +-

z Hz(p)

G(p)

Le correcteur de tendance G(p) peut être un simple gain, un module avance/retard ou un opérateur plus complexe. Le régulateur utilisera deux mesures (x et z), deux correcteurs (C(p) et G(p)). La mesure z est ajoutée à la boucle principale.

2.2. Programmation sur T2550

!"##$%&&'()*+,-

.()/0"

1234567480&6!400008094:;2<5080

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FFFFFFF02105<!06036G4:0&6!6H6;400FFFFFFFFFFFFFF0:456740&26I5<;!2>0H3<>J;0FFFFFFF

FFFFFFF0!E450&434!40!E2;074;;6I40FFFFFFF

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.()/0R

62%=2<7/,N@/

6<%=2<>+SS(*?/

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62%=2<./@-N@D(-'+*

6&&"<L/@(-/N@

EUROTHERMEUROTHERMEUROTHERMEUROTHERM Main (ROOT)File: T2550_02.DBF DB: T2550_02.DBF

Issue: Date: 11/06/11Page: 1 of 14

PV OPPV OP

PV

PV1

PV2

OP

La boucle est composée de deux mesures (grandeur réglée et perturbation), d’un correcteur PID, d’un additionneur (ADD2) et d’une sortie.



2.3. Détermination théorique d’un correcteur statiqueLe correcteur G(p) = A2 doit permettre l’annulation de l’influence de la perturbation.

On cherche à avoir dxdz

= 0 . Or x = −Hz(p).z +H(p)G(p).z +H(p)C(p).ε⇒ −Hz(p)+H(p)G(p) = 0 .

Il faut donc prendre G(p) = A2 =Hz(0)H(p)

.

2.4. Détermination pratique d’un correcteur statique• Choisir un point de fonctionnement et relever les valeurs de la mesure x1, la commande y1 et de la

perturbation z1.• Faire varier la perturbation z.• Faire revenir la mesure à la valeur x1.• Relever les valeurs de la commande y2 et la perturbation z2.• Le gain du correcteur statique est :

A2 = y2− y1z2− z1

2.5. Exemple de régulation mixteLa mesure du débit du liquide chauffé permet d'anticiper la baisse de température engendrée par son augmentation.

Eau

TT

TI

C

FIT

w

Four

Y

xz

TY

1

TY

2

+

On observe l’évolution de la température pour la même augmentation du débit, avec différentes solutions pour TY2.

Sans tendance

Module Gain

Module AR

☆

★

✪☆

☆

☆☆

☆☆

☆☆ ☆

★☆

★

★

★

★

★ ★ ★ ★ ★ ★ ★✪

✪

✪

✪

✪

✪✪ ✪ ✪ ✪ ✪



3. Régulation cascade3.1. PrésentationUne régulation cascade est composée de deux boucles imbriquées. Une mesure supplémentaire est contrôlée par la boucle esclave qui utilise l’organe de réglage de la boucle initiale. La boucle maître contrôle la grandeur réglée de la régulation, sa commande est la consigne de la régulation esclave.

xε1+ - C1(p)

y1

z Hz(p)

H2(p) H1(p)+ -C2(p)w1

+- y2

ε2w2

Si la grandeur supplémentaire est la grandeur réglante de H1(p), on parle de «cascade sur la grandeur réglante». Sinon, on parle de «cascade sur une grandeur intermédiaire». Ce type de régulation se justifie quand on a une grande inertie du système vis-à-vis d'une perturbation sur la grandeur réglante, ou sur une grandeur intermédiaire.Il faut d'abord régler la boucle interne, puis la boucle externe avec le régulateur esclave fermée.


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62%=2<7/,N@/

6<%=2<>+SS(*?/

.2&7('-@/

62%=2<7/,N@/0"

.2&4,AO(T/



PV OP

PV

OPPV RSP OP

La boucle est composée de deux mesures (grandeur réglée de la boucle esclave et maître), de deux correcteurs PID et d’une sortie. Ne pas oublier d’activer la consigne à distance (EnaRem) et de la sélectionner (SelRem) dans SelMode de la boucle esclave.

3.3. Cascade sur une grandeur intermédiaireUn produit à sécher est soumis à un de l’air chaud pour faire baisser son taux d’humidité. Plus le temps passé dans le sécheur par le produit à sécher sera grand, plus le taux d’humidité relative du produit séché sera bas. On contrôle ce taux d’humidité en agissant sur la vitesse de la vis d’Archimède. La température du produit est la grandeur réglée par la boucle esclave.

M3

MY

MIC

MTTTTIC

Sécheur

Produit séché

Produit à sécher

Arrivée air chaud

Évacuationair humide

Transporteur à hélice



3.4. Cascade sur la grandeur réglanteOn peut utiliser une régulation cascade dans une régulation de niveau. Le niveau dans le réservoir est la grandeur réglée par la boucle maître. Le débit d’alimentation est la grandeur réglante de la boucle maître et la grandeur réglée de la boucle esclave. La pression Pin est la principale perturbation de la boucle esclave. Qout est la principale perturbation de la boucle maître.

S

LTLIC

FIC

FT

Qin Qout

FV1

Réservoir

Pin

On observe ci-après l’évolution du niveau en réponse à une variation de la pression Pin. L’influence de cette même perturbation a été observée pour une boucle simple et une boucle cascade. L’apport de la cascade est sans équivoque.

Sans cascade

Avec cascade

☆

★

☆

☆

☆

☆

☆

☆

☆

☆

☆

☆☆ ☆ ☆

★★ ★ ★ ★ ★ ★



4. Régulation de rapport (ou de proportion)4.1. PrésentationOn utilise une régulation de rapport quand on veut un rapport constant entre deux grandeurs x1 et x2 (avec x2/x1 = constante). Dans l'exemple ci-dessous, la grandeur pilote x1 est utilisée pour calculer la consigne de la boucle de régulation de la grandeur x2.

ε+

-C(p)

y2H2(p)

H1(p)

x1

x2

y1

Kw2

4.2. Programmation sur T2550La régulation est composée de deux boucles (une boucle menante et une menée). La mesure de la menante sert au calcul de la consigne de la boucle menée. Il ne faut pas oublier d’activer la consigne à distance (EnaRem) et de la sélectionner (SelRem) dans SelMode de la boucle menée.

!"##$%&&'()*+,-

.()/0"

1234567480&6!400008094:;2<5080

1=5>!2<580!"##$0;-(*?(@?0&'()*+,-'A,0000000000B'-C0&(-(D(,/0E/(?/@



=,/02K<0L()/0-+0A+*M')N@/02K<0MN*A-'+*0DO+AP,Q

!6>!2>265!"##$%$"

2<%5<&4!"##$%$"

.()/0R

62%=2<7/,N@/

6<%=2<>+SS(*?/

.2&7/*(*-/

62%=2<7/,N@/0"

.2&7/*//

6&&"I('*

6<%=2<>+SS(*?/0"



PV PV

PV PV

PV

PV1

OP OP

OP

OP OP

RSP

4.3. Exemple de boucle de proportionOn peut utiliser une régulation de rapport pour établir le rapport air/combustible d'une régulation de combustion.

Brûleur

Qair

Qgaz

FT2

FT1

FIC1

FIC2

FY1

×

k

w1

x1

y1

x2

w2

y2



S

LTLICFIC

FTQin Qout

FV1

Réservoir

Pin

FY

<

4.4. Exemple de calcul du gain kDans l'exemple ci-avant, on suppose que pour avoir une combustion complète, on doit avoir un débit d'air cinq fois supérieur au débit de gaz soit : Qair = 5 × Qgaz.L'étendue de mesure du transmetteur de débit d'air est réglée sur 0-10 kg/h. Celui du débit de gaz sur 0-3 kg/h. La méthode la plus rapide pour calculer k est de prendre un exemple, sans saturer les transmetteurs.Ainsi, si Qgaz = 1,5 kg/h (50%), Qair = 7,5 kg/h (75%). Or k = Qgaz(%)/Qair(%) = 50/75 = 0,667. Remarque 1 : Le choix de l'étendue de mesure de chaque transmetteur n'est pas très judicieux dans cet exemple (c'est fait exprès...). On s'attachera dans la pratique à choisir un réglage des transmetteurs entraînant la suppression de l'opérateur FY1 (×1).Remarque 2 : Ne plus se prendre la tête avec le calcul de k, travailler en unités physiques.

5. Régulation parallèle (override ou de limitation)5.1. PrésentationDans certain procédé, il apparaît nécessaire quelquefois de surveiller deux grandeurs, pour des raisons de sécurité ou pour assurer le fonctionnement du procédé. Dans ce cas, on utilise une régulation dite parallèle. Elle utilise deux grandeurs réglées, deux correcteurs différents et un seul organe de réglage. Un sélecteur choisi la commande la plus adaptée.

x+ - C1(p)

y1 z Hz(p)

H2(p) H1(p)+ -

C2(p)

<y2ε2w2

ε1+ -

w1

On règle les deux boucles indépendamment. On s’assurera de la mise hors service du sélecteur lors du réglage de chacune des boucles.


La régulation est composée de deux boucles. Le sélecteur sélectionne la commande la plus petite (ou la plus grande) pour l’envoyer vers la sortie commande. Le retour sur les entrée FB_OP, empêche le régulateur de trop dériver quand il n'est pas sélectionné.

5.3. Exemple de régulation parallèleDans la régulation de débit ci-dessus, il est nécessaire de surveiller le niveau, pour éviter le débordement du liquide. Un sélecteur minimum assure le fonctionnement de la régulation de débit sans débordement de liquide.

S

LTLICFIC

FTQin Qout

FV1

Réservoir

Pin

FY

<



6. Régulation à deux grandeurs réglantes (split range)6.1. PrésentationOn utilise une régulation à partage d'étendue lorsque l'on désire contrôler le système à l'aide de deux organes de réglage différents. Ces deux organes de réglage peuvent avoir des effets alliés ou antagonistes de type chaud-froid.

ε+- C(p)

yH0(p)

xw

H2(p)

H1(p)

++

6.2. Régulation à deux grandeurs à effets complémentairesPour éviter les problèmes de cavitation, on utilise deux vannes de régulation avec des capacités de débit différents (Cv). Une vanne sera utilisée pour contrôler les débits importants, l'autre pour les débits faibles.

6.3. Régulation à deux grandeurs à effets antagonistesPour remplir ou vider un réservoir, on utilise deux vannes de régulation. Une vanne alimente le réservoir, une autre vanne vide le réservoir. On parle aussi de régulation chaud-froid.

FIT

FIC

FY1

FY2

FV2

FV1

Y

Y1

Y2

1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Commande Y en %

Ouv

ertu

re d

e la

van

ne e

n %

FV1

FV2

Fermée

Ouverte

PIT

PIC

PY1

PY2

FV2 FV1

Y

Y1Y2

1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Commande Y en %

Ouv

ertu

re d

e la

van

ne e

n %

FV1 FV2

Fermée

Ouverte




PV PV

PV1

PV1OP OP

OP

OP

OP

!"##$%&&'()*+,-

.()/0"

1234567480&6!400008094:;2<5080

1=5>!2<580!"##$0;-(*?(@?0&'()*+,-'A,0000000000B'-C0&(-(D(,/0E/(?/@



=,/02K<0L()/0-+0A+*M')N@/02K<0MN*A-'+*0DO+AP,Q

!6>!2>265!"##$%$"

2<%5<&4!"##$%$"

.()/0R

62%=2<7/,N@/

6<%=2<>+SS(*?/0T

.2&H+NAO/0T

6<%=2<>+SS(*?/0"

6&&"<L/@(-/N@0T

6&&"<L/@(-/N@0"



OP

La régulation est composée d’une boucle, deux opérateurs calculent deux commandes différentes.

6.5. Détermination du sens d’action du régulateurPour déterminer le sens d’action du régulateur, on cherche le sens d’action du procédé. Pour cela, on reprend le graphe de partage, puis ;

• À partir du plan de partage et du schéma TI, déduire le sens d’action du procédé.• Si la commande Y et la mesure X varie dans le même sens, le procédé est direct, donc on doit

régler le régulateur avec une action inverse. Si la commande Y et la mesure X varie dans deux sens différents, le procédé est inverse, donc on doit régler le régulateur avec une action directe.

Dans le cas ci-dessous, le procédé est direct, donc on doit régler le régulateur avec une action inverse :

PIT

PIC

PY1

PY2

FV2 FV1

Y

Y1Y2X

1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Commande Y en %

Ouv

ertu

re d

e la

van

ne e

n %

FV1 FV2

Fermée

Ouverte

Mesure

X



6.6. Détermination des équations de sortieSur le graphe de partage, on trace l’évolution de Y1 et Y2 en fonction du sens d’action des vannes (NO ou NF). Pour déterminer les équations liant les commandes Y1 et Y2 à la commande Y, il suffit de représenter les relations entre ces grandeurs, puis d’appliquer la formule de proportionnalité. Ne pas oublier de limiter les signaux Y1 et Y2 entre 0 et 100 %.

1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Commande Y en %

Ouv

ertu

re d

e la

van

ne e

n %

FV1vanne no

FV2

vann

e nf

Fermée

Ouverte

Mesure

XY1

Y2

7. Régulation adaptativeLes critères de choix des correcteurs que nous avons utilisés jusqu’à présent s’appliquent à des systèmes linéaires. Pour prendre en compte les non-linéarités d’un système industriel, il est nécessaire d’adapter ces réglages au point de fonctionnement et aux variations du procédé. Il existe de nombreuses méthodes différentes qui permettent de répondre à cette problématique. Elles sont implémentées indifféremment dans les régulateurs par les constructeurs sous le qualificatif auto-adptatif.

Y10

0 Y

100 %

50 %

Y1− 0Y − 0

= 100− 050− 0

= Y1Y

= 2

Y1= 2Y

Paramètres Bloc ADD2

PV_1 = PID.OPK_1 = 2

LL_0P = 0

PV_2 = 1K_2 = 0

HL_OP = 100

Y20

50 Y

100 %

100 %

Y2− 0Y −50

= 100− 0100−50

= Y2Y −50

= 2

Y2 = 2Y −100

Paramètres Bloc ADD2

PV_1 = PID.OPK_1 = 2

LL_0P = 0

PV_2 = 1K_2 = -100

HL_OP = 100

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